西北工业大学Nature Communication：金属材料强韧化机理研究取得新进展
主要作者：Bojing Guo, Xin Lin*, Jincheng Wang*, Feng He*
第一单位：西北工业大学
发表期刊：Nature Communications
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-56710-3
研究背景
传统材料科学中，金属合金的强度与延展性往往存在“此消彼长”的矛盾（即“强度-延展性权衡”）。例如，通过冷轧、拉拔等工艺引入高密度位错可以显著提高材料强度，但位错堆积会阻碍后续塑性变形，导致延展性急剧下降。经典理论认为，位错强化必然以牺牲延展性为代价。近年来，科学家尝试通过梯度结构、纳米孪晶、亚稳相等策略打破这一限制，但位错本身的动态相互作用尚未被充分挖掘。
本研究受自然界非平衡复杂系统（如地震、森林火灾）自组织现象的启发，提出通过调控位错与溶质偏析的协同作用，设计一种新型自组织结构（SD-SOS），以同时提升合金的强度和延展性。
研究内容
1.材料制备与结构设计
采用激光粉末床熔融（LPBF）技术制备Ni₃₅Co₃₅Cr₂₅Ti₃Al₂中等熵合金（MEA）。LPBF的极端非平衡条件（快速凝固、循环热应力）促使溶质元素（如Ti）在晶界处偏析，并与高密度位错（初始密度约8.29×10¹⁴ m⁻²）相互作用，形成偏析-位错自组织结构（SD-SOS）。
SD-SOS呈现蜂窝状或柱状亚微米级胞结构（直径约560 nm），其边界富含位错、堆垛层错（SFs）和Lomer-Cottrell（L-C）锁，内部则保持低取向差（<1°），与传统塑性变形形成的低能位错结构（LEDS）显著不同。
Fig.1 Microstructures of the Ni35 Co35 Cr25 Ti3 Al 2 alloy fabricated via laser powder bed fusion (LPBF).
2.力学性能测试
与传统铸造（as-cast）和冷轧（as-rolled）合金对比，LPBF合金展现出超高强度（屈服强度655 MPa，比铸造合金提升近一倍）和优异延展性（延伸率35%，远超冷轧合金的16%）。
应变硬化分析表明，SD-SOS通过动态细化滑移带间距（从164 nm至67 nm），持续储存位错并延缓塑性失稳，从而实现高强度与高延展性的协同。
Fig.2 Mechanical properties of the Ni35 Co35 Cr25 Ti3 Al 2 medium entropy alloys.
3.微观机制解析
位错增殖：SD-SOS边界作为高效位错源，在应力作用下发射位错和堆垛层错，并通过L-C锁提供位错分裂机会，促进平面滑移。
位错储存：滑移位错与SD-SOS边界动态交互，形成L-C锁和位错阶跃（jogs），显著提升位错存储能力（变形后位错密度达44.7×10¹⁴ m⁻²，是铸造合金的2倍以上）。
自组织调控：溶质偏析降低局部堆垛层错能（SFE），抑制交滑移，增强平面滑移特性，进一步优化应变硬化能力。
主要结论
1.颠覆经典“强度-延展性权衡”理论
传统理论认为，高密度位错通过阻碍滑移提升强度，但会因位错堆积导致塑性失稳，最终牺牲延展性（如冷轧合金延伸率仅16%）。本研究通过激光粉末床熔融（LPBF）技术，在Ni₃₅Co₃₅Cr₂₅Ti₃Al₂合金中构建偏析-位错自组织结构（SD-SOS），成功实现屈服强度655 MPa（较铸造合金提升93%）与延伸率35%的协同突破。实验表明，SD-SOS通过动态调控位错行为，使初始高密度位错（8.29×10¹⁴ m⁻²）从“塑性杀手”转变为“延展性引擎”。
2.SD-SOS的双重功能机制
位错动态增殖：SD-SOS边界富含堆垛层错（SFs）和Lomer-Cottrell（L-C）锁，在应力下可发射位错（图4a-b）。例如，变形初期（应变0.5%）即观察到边界位错源激活，而Ti偏析降低局部堆垛层错能（SFE），促进Shockley不全位错分解，进一步释放可动位错（图4e）。
高效位错存储：滑移位错与SD-SOS交互形成L-C锁和位错阶跃（jogs），显著提升存储密度。拉伸至22%应变时，位错密度达44.7×10¹⁴ m⁻²（铸造合金仅19.6×10¹⁴ m⁻²）。这些障碍通过钉扎位错运动，细化滑移带间距（从初始164 nm降至67 nm），延缓颈缩（图3c-d）。
Fig.3 Deformation microstructures and their evolution of the Ni35Co35Cr25Ti3Al 2alloy during straining.
3.自组织临界态的力学优势
SD-SOS的形成受溶质偏析与位错活动的时空耦合驱动，符合自组织临界（SOC）理论。其蜂窝状胞结构（直径560 nm）边界为高能非平衡态，与传统低能位错结构（LEDS）不同：
低取向差（<1°）：允许位错跨胞界滑移，避免晶界强阻碍（图1i）。
动态交互网络：L-C锁与jogs的持续生成形成“位错高速公路”，既储存位错又维持滑移通道（图4g），实现应变硬化率与塑性流动的平衡（图2b）。
4.技术普适性与应用前景
增材制造通用性：SD-SOS广泛存在于LPBF合金（如316L不锈钢、高熵合金），通过调控激光参数（能量密度、扫描策略）和溶质设计（如调整Ti含量），可定制力学性能组合。
工业化潜力：该策略无需复杂后处理，直接通过打印工艺优化实现高性能，适用于航空航天轻量化部件、能源装备耐损伤结构等场景。
未来方向：需验证多组分合金（如Fe-Ni基体系）及极端环境（高温、辐照）下的稳定性，并探索SD-SOS与相变/孪生的协同效应。
Fig.4 Dislocation multiplication and storage mechanisms of segregationdislocation self-organized structures (SD-SOS) in LPBF Ni35 Co35 Cr25 Ti3 Al 2 alloy.
简要点评
这项研究将非平衡态物理与材料工程深度融合，其核心价值在于：
科学上：重新定义了位错在塑性变形中的角色，提出“高密度位错可兼具源与阱功能”的新范式，为金属强韧化理论注入活力。
技术上：LPBF工艺的精准热循环与溶质捕获效应，为“一步法”制备高性能合金提供了模板，降低传统多工序加工成本。
局限与挑战：目前机理集中于单相FCC合金，未来需拓展至BCC/HCP体系；SD-SOS的长周期稳定性（如疲劳、蠕变）仍是未解之谜。
这一成果不仅是材料科学的突破，更是工程创新的催化剂，有望推动高端制造从“经验试错”迈向“计算设计”的新纪元。
选自微信公众号 AM Vision 增材视界 AM Vision